Báo cáo khoa học: MIỄN DỊCH NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNG

Trong sự phát triển của khoa học, nhiều lý thuyết mới đã được ra đời bằng cách quan sát các hoạt động trong thế giới tự nhiên, phát minh vật lý của Niutơn gắn với hiện tượng quả táo rơi là một ví dụ điển hình. Gần đây, máy tính được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu các tiến trình sinh học nhằm đạt được hiểu biết tốt hơn về chúng, cũng như mong muốn áp dụng các nguyên tắc đã được hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa của tự nhiên vào giải quyết các bài toán của cuộc sống....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo khoa học: MIỄN DỊCH NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNG BÁO CÁO KHOA HỌC Đề tài : HỆ MIỄN DỊCH NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNG T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 HỆ MIỄN DNCH NHÂN TẠO VÀ ỨNG DỤNG Nguyễn Xuân Hoài (Học viện Kỹ thuật Quân sự) - Nguyễn Văn Trường (Trường ĐH Sư phạm - ĐH Thái Nguyên) - Vũ Mạnh Xuân (Khoa KH Tự nhiên & Xã hội - ĐH Thái Nguyên) 1. GIỚI THIỆU Trong sự phát triển của khoa học, nhiều lý thuyết mới đã được ra đời bằng cách quan sát các hoạt động trong thế giới tự nhiên, phát minh vật lý của Niutơn gắn với hiện tượng quả táo rơi là một ví dụ điển hình. Gần đây, máy tính được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu các tiến trình sinh học nhằm đạt được hiểu biết tốt hơn về chúng, cũng như mong muốn áp dụng các nguyên tắc đã được hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa của tự nhiên vào giải quyết các bài toán của cuộc sống. Các ý tưởng xuất phát từ sinh học đã làm xuất hiện một số lĩnh vực nghiên cứu mới như: mạng nơron nhân tạo, mạng nơron tế bào, giải thuật di truyền, sự sống nhân tạo, otômat tế bào, tin sinh học,… AIS là một cách tiếp cận của tin sinh học, đó là khái niệm chỉ các hệ thống thông minh nhân tạo, giải quyết vấn đề dựa trên các nguyên lý, chức năng và mô hình hoạt động của hệ miễn dịch của con người [10]. Giống như hệ miễn dịch sinh học, AIS có một số đặc trưng chính quan trọng như: chống chịu nhiễu, học không có giám sát, ghi nhớ, phân tán và tự tổ chức. AIS được đánh giá như một phương pháp tính toán mềm mới có hiệu quả. Phạm vi ứng dụng của AIS không chỉ đơn thuần giới hạn ở các bài toán nhận dạng (lấy ý tưởng từ khả năng nhận biết và loại bỏ các phần tử có hại của hệ miễn dịch sinh học), mà nó thực sự thu hút được sự chú ý của các nhà nghiên cứu thông qua những ứng dụng trong các lĩnh vực như bảo mật và an toàn thông tin, học máy, robot học, điều khiển học, tối ưu hóa, xử lý ảnh [8]. Bài báo này trình bày những nguyên lý cơ bản của hệ miễn dịch sinh học làm cơ sở cho hệ miễn dịch nhân tạo, các ứng dụng chính của hệ miễn dịch nhân tạo và vài nét tổng quan về tình hình nghiên cứu lĩnh vực này trong thời gian gần đây. 2. HỆ MIỄN DNCH SINH HỌC Hệ miễn dịch sinh học là một hệ thống thích nghi có khả năng tự nhận dạng và tự tổ chức, bao gồm nhiều bộ phận phân tán trong cơ thể nhằm giúp cho cơ thể chống lại những lây nhiễm của các vi sinh vật bên ngoài. Nó bao gồm một kiến trúc phân tầng với cơ chế tự điều chỉnh và bảo vệ rộng khắp, với hai tầng bảo vệ chính là: hệ thống miễn dịch bNm sinh và hệ thống miễn dịch thích nghi. Hình 1. Cấu trúc đa tầng của hệ miễn dịch sinh học 13 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 Chức năng của hệ miễn dịch sinh học là nhận dạng tế bào và phân chia chúng thành hai nhóm khác nhau: self (những tế bào của cơ thể tạo ra) và non-self (những tế bào lạ), đồng thời loại bỏ các tế bào thuộc loại non-self. Hệ miễn dịch bNm sinh chủ yếu dựa vào bạch cầu hạt và đại thực bào, còn hệ miễn dịch thích nghi dựa vào tế bào lymphô (lymphocyte). Các tế bào lymphô được chia làm hai loại là B- cell và T-cell, chúng có khả năng ghi nhớ, thích nghi, và mang những phần tử thụ cảm trên bề mặt có khả năng nhận diện kháng nguyên (antigen). Vai trò chính của B-cell là sản sinh ra các kháng thể (antibody) tương ứng với các tác nhân gây bệnh, còn chức năng chính của T-cell là điều chỉnh các tế bào khác và tấn công trực tiếp các tế bào gây ra sự lây nhiễm trong cơ thể. Khi có kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, các cơ quan thụ cảm trên bề mặt của lymphô bào được kích hoạt và thực hiện quá trình nhân rộng, đột biến và tạo ra những kháng thể thích hợp có khả năng nhận diện cũng như loại bỏ kháng nguyên. Một số lymphô bào sẽ trở thành tế bào ghi nhớ và lưu thông trong cơ thể, sau đó, nếu có loại kháng nguyên tương tự lây nhiễm thì hệ miễn dịch thích nghi có thể nhanh chóng phát hiện và loại bỏ chúng. Khả năng tự hoàn thiện này của hệ miễn dịch giúp cơ thể không mắc lại những bệnh cũ. Hệ miễn dịch sinh học bao gồm hơn 107 mạng miễn dịch con (immune sub-network) với các nguyên tắc hoạt động rất phức tạp. Nó thực sự là một hệ thống hoạt động tin cậy, thống nhất, có khả năng tính toán song song và phân tán. Xét theo quan điểm của khoa học máy tính, thì việc xây dựng hệ thống tính toán mô phỏng hệ thống miễn dịch sinh học có rất nhiều ý nghĩa thực tiễn [1]. 3. MÔ HÌNH CHUNG CHO AIS Có ba yếu tố cơ bản để thiết kế AIS, đó là: biểu diễn mô hình trừu tượng cho các thành phần của hệ miễn dịch gồm tế bào, phân tử và các phần tử miễn dịch; một tập các hàm xác định độ thích hợp để định lượng sự tương tác của các phần tử; một tập các thuật toán để điều khiển tính động của hệ thống. Hình 2. Cấu trúc phân tầng của AIS AIS có cấu trúc phân tầng, tầng đầu tiên là lĩnh vực ứng dụng, nó có vai trò quyết định đến các thành phần hệ thống cũng cách biểu diễn và thao tác trên các thành phần đó. Tầng thứ hai liên quan đến biểu diễn các thành phần của hệ thống mà quan trọng nhất là kháng thể và kháng nguyên. Tầng thứ ba là các phương pháp đánh giá độ thích hợp: thông thường sử dụng độ đo khoảng cách Hamming, Euclid và Mahattan. Tầng thứ tư liên quan đến các thuật toán miễn dịch: thuật toán chọn lọc tích cực, thuật toán chọn lọc tiêu cực, thuật toán chọn lọc clôn, thuật 14 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 2(42)/N¨m 2007 toán aiNet,… Tầng thứ năm là đưa ra lời giải cho bài toán: lời giải của bài toán sẽ được cập nhật lại sau khi một quần thể mới được tạo ra và đưa ra kết quả cuối cùng khi đạt đến điều kiện kết thúc nào đó, chẳng hạn như sau một số lần lặp nhất định [14]. 4. CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA AIS 4.1 Điều khiển AIS có thể giải quyết vấn đề về tính không chắc ...